儲能技術在光伏發電系統中的應用

郭子興

摘 要：隨著國家政策的導向以及碳達峰、碳中和的提出，以光伏發電技術為代表的新能源發電系統越來越多地進入市場和并入電網。由于光伏發電系統的間歇性、波動性等會造成一部分棄光現象，在我國西北尤其嚴重。因此，在光伏發電系統的建設中將儲能技術與大型電站相結合，提高對太陽能的消納能力，避免資源浪費，十分必要。

關鍵詞：儲能技術；光伏發電系統；消納太陽能；改善電能質量

0 引言

近年來，由于國家的扶持、政策的導向等，光伏發電的裝機容量越來越大。尤其是在我國西北地區，太陽能資源豐富，建設了許多大型光伏電站。到2030年，我國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上[1]。但是，光伏發電的大量并網也造成了一些不利的影響。由于光伏發電受天氣的影響較大，因此具有一定的波動與間歇性，并網之后會對電網造成一定的沖擊。另外，由于一些地區負荷較少，發電量較多，太陽能消納的矛盾凸顯出來，造成了大量的棄光現象。

因此，利用儲能技術調節電網的穩定性，提高太陽能的消納，減少棄光現象是當務之急。本文介紹了當前光伏發電系統中主要應用的儲能技術，對儲能技術如何調節電網，增加消納能力進行了分析，并對將來更深的應用做了展望。

1 儲能的主要類型

1.1 蓄電池儲能

蓄電池儲能是將電能轉化為化學能進行能量存儲，主要包括鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池以及液流電池等。當前，鉛酸電池的應用較為廣泛，而液流電池具備大規模儲能的潛力。蓄電池的優點在于成本較低、配置靈活且可以構成蓄電池組以增大容量，當前已經有許多即插即用式的移動儲能電站。其缺點在于普遍壽命較短。

1.2 飛輪儲能

在飛輪儲能系統中，電能將加速一個放在真空外殼內的轉子（達幾萬轉/每分鐘），即由固體材料制成的大質量圓柱體，從而將電能以動能形式儲存起來（利用大轉輪所儲存的慣性能量）。當需要釋放電能時，便利用這些動能來發電。飛輪儲能一般運行在真空環境下，這樣可以最大程度降低風阻及摩擦帶來的損耗。飛輪儲能的優點是壽命長、效率高、穩定性好、較少需要維護、有較高的功率密度及響應速度快。缺點是能量密度低，只可持續幾秒至幾分鐘。當前一般應用在蓄電池系統中進行補充。

1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能采用空氣作為能量的載體。該方法響應速度快、壽命長、轉化效率較高，一般維持在75%上下。缺點是受地理條件限制，且需要與燃氣輪機配合，需要一定燃氣作為燃料。在諸多儲能技術中，壓縮空氣儲能是最具有發展潛力的技術，通常用在備用電源以及系統調峰當中。

1.4 抽水蓄能

抽水蓄能是在電網負荷低谷時，利用過剩的電力將水從低地勢的水庫抽到高地勢的水庫，在電網負荷處于高峰水平時將高標高水庫中的水流到下水庫，推動水輪機發電。抽水蓄能電站屬于大規模的集中式能量存儲，當前技術已經相當成熟，可用于電網的能量管理和調峰等。抽水蓄能電站的效率較高，一般可達到65%～75%，最高可達到80%～85%。其負荷響應速度也較快，從全停到滿發電僅需5 min，從全停到滿載抽水僅需1 min。但是，抽水蓄能電站的選址建設受地理環境影響，且建設周期長，建設投資高，因此而受到了制約。此外，在電站距離負荷中心較遠時，需要長距離輸電，造成大量的能量損耗。

1.5 超級電容儲能

超級電容器是根據電化學雙層理論研制而成的，因此又稱為雙電層電容器。該方式的優點是壽命長、循環次數大、充放電速率快、響應時間短、能量轉化率高、維護較少、無旋轉部件、運行溫度范圍廣、環境友好等。缺點是能量密度低、投資建設花費大、有一定的自放電率，且超級電容器的電介質耐壓很低，儲能水平受到了耐壓的限制，因而儲存的能量不大。在相關電力系統中，通常用于改善電能質量，為電壓跌落或者瞬態干擾的情況提供電能。

1.6 超導儲能

超導儲能系統是由用超導材料制成的、放在一個低溫容器中的線圈、功率調節系統和低溫制冷系統等組成。能量以超導線圈中循環流動的直流電流方式儲存在磁場之中。由于該儲能方式直接將電能儲存在磁場當中，沒有能量形式的轉換，因此功率密度很高，能量的充放電速度非常快，響應速度與轉換效率也較高。但是由于其材料價格昂貴，維護較為復雜，且需要維持低溫環境等原因，當前階段在電力系統中應用較少。

2 儲能技術在光伏發電系統中的應用

2.1 平滑出力波動

光伏發電系統的能量來源是太陽能，在夜晚光伏發電系統無法發電。利用儲能裝置，采用相關的控制策略，可以跟蹤光伏發電系統的出力，在出力尖端時吸收電能，在出力低谷時釋放電能，從而保持輸出功率的平滑，也使對光伏發電出力的預測更為準確。從現有的研究成果可知，電池儲能系統對于平滑光伏發電系統的出力波動具有顯著作用[2]。

2.2 增加太陽能的消納能力

我國西北部太陽能資源豐富，是我國太陽能資源分布的Ⅰ類地區。然而，西北部在我國又屬于地廣人稀的高原地帶，人口密度低、數量少。同時，西北地區工業相比其他地區較為落后。因此，西北地區的負荷壓力遠遠小于華北、華中、華南等地區。因此，在光伏滲透率較高的西北地區，由于發電量與負荷的不匹配，棄光的現象時常發生，造成巨大的損失以及消極的影響。此時，將儲能系統應用到電力系統中的調峰調頻等輔助服務中，通過能源管理系統的統一調度，與光伏電站的自動控制系統相結合，從而控制儲能系統的充放電時間及次數等，可以在發電側減少棄光現象，增加太陽能的消納能力，提升能源利用率，帶來良好的經濟效益。

2.3 提升供電可靠性

儲能系統可以發揮削峰填谷作用。在負荷高峰期，儲能系統可以將自身儲存的能量轉化為電能，并注入到電網中。在負荷低谷期，儲能系統可以將電網中多余的電能吸收并轉化為儲能裝置對應的能源形式儲存起來，通過削峰填谷來平衡電網的功率水平。同時，儲能系統可以發揮備用電源功能。在一些微電網系統中，當微電網在孤島運行模式時，儲能系統可以為孤島狀態下的微電網提供所需電能。

2.4 改善電能質量

由于受到天氣、溫度、組件傾角等因素的影響，光伏發電系統的輸出功率會有所變化，造成了發電量的不穩定，使發電量預測的難度增加，對饋入電網的諧波產生影響。并且，隨著太陽光照強度的變化，光伏發電功率會對電網潮流中的負荷特性產生一定的影響。光伏發電系統并入電網之后，會對電網潮流的方向、現有電網調度、規劃運行方式等產生影響，加大對電網調度及控制的難度。當大量光伏發電系統接入電網后，將加劇電壓波動，引起電壓調節裝置的頻繁動作，使電網的電能質量下降。當儲能接入光伏發電系統后，由相應的能量轉換系統控制儲能裝置的充放電，可以達到對電網調峰的目的，使光伏發電系統的發電量得到有效控制。此外，儲能裝置的接入可以抑制電網潮流方向的改變，增加電網的穩定性，從而提升光伏發電系統接入電網之后的電能質量[3]。

3 結束語

由于光伏發電本身帶有的間歇性與波動性，在并入電網后，對電網的穩定性造成了一定的影響。而儲能裝置的引入與應用，在很大程度上解決了這一問題。儲能系統在一定程度上解決了電能只能即發即用的問題，提高了供電的可靠性，改善了電能質量，增強電網的穩定性。

在未來的發展中，由于源源不斷的太陽能，光伏發電勢不可擋，必定會在我國的能源體系中占據越來越重要的地位。以光伏發電為代表的清潔能源發電在我國電網中的滲透率必將越來越高。儲能系統作為平滑新能源發電出力曲線、解決新能源消納問題、削峰填谷、改善電能質量、提高電力系統穩定性的重要手段，在未來的發展與研究中，必定會成為重中之重。儲能技術發展的愈加成熟，我國能源體系的改善就愈加完善。

參考文獻：

[1] 習近平.繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程——在氣候雄心峰會上的講話[J].中華人民共和國國務院公報，2020（35）：7.

[2] 杜芳.儲能技術在新能源電力系統中的應用分析[J].中國高新科技，2020（20）：17-18.

[3] 寧陽天，李相俊，董德華，等.儲能系統平抑風光發電出力波動的研究方法綜述[J].供用電，2017，34（04）：2-11.

1968501705262